Biocapteur de métamatériau térahertz entièrement métallique pour la détection de protéines

Introduction

De nos jours, les médecins prélèvent généralement le sérum des patients hospitalisés pour divers examens. Comme la détection de tumeurs [1,2,3] et la détection de virus [4,5,6] etc. La méthode préliminaire pour la détection de tumeurs est la détection de protéines, car les protéines sont les composants de nombreux marqueurs tumoraux, et ces biomolécules avec beaucoup de des informations existent dans le sérum. Les albumines sériques sont les protéines de fraction hydrosoluble totales les plus abondantes (52 à 62 %) dans le plasma sanguin [7, 8]. De plus, les fonctions nutritionnelles et physiologiques des albumines sériques en font des bio-macromolécules essentielles. En tant que l'une des albumines sériques les plus populaires, l'albumine sérique bovine (BSA) est utilisée dans de nombreux domaines de recherche. Par conséquent, la recherche sur la détection de la BSA est très importante. Il existe de nombreuses méthodes pour détecter et déterminer la concentration de BSA, notamment la spectroscopie d'impédance électrochimique [9], l'électrophorèse capillaire [10] et les techniques de diffusion de la lumière [11]. Mais ils présentent tous des inconvénients, tels que des procédures compliquées, une mauvaise reproductibilité ou une perte de temps. Par conséquent, le développement de nouveaux biocapteurs est d'une importance considérable et très demandé.

L'onde THz se situe entre l'onde optique hyperfréquence et infrarouge et dans la zone de transition de l'électronique à la photonique. Par rapport aux ondes lumineuses, l'énergie des photons dans cette bande est très faible. Cela signifie que les ondes térahertz ne causeront pas de dommages par ionisation de rayonnement aux molécules biologiques. De nombreuses macromolécules biologiques ont également des empreintes digitales uniques dans la bande térahertz [12,13,14,15]. Par conséquent, les ondes térahertz ont reçu une attention considérable dans le domaine de la biodétection [16, 17].

Les métamatériaux sont des matériaux électromagnétiques artificiels composés de structures sub-longueur d'onde. Leur résonance électromagnétique unique présente de nombreuses caractéristiques, telles qu'un IR négatif [18, 19], une transparence induite électromagnétiquement [20, 21] et une sensibilité environnementale extrême [22, 23]. Les métamatériaux sensibles à l'environnement environnant, en particulier ceux composés de structures métalliques inférieures à la longueur d'onde [24,25,26], ont été largement utilisés pour détecter diverses biomolécules. La combinaison d'ondes térahertz et de métamatériaux fournit une nouvelle méthode de détection pour les molécules biomédicales, qui permet non seulement d'obtenir une détection sans marqueur, mais également de rafraîchir la limite de résolution des capteurs existants. De plus, la détection peut être effectuée simplement et rapidement en utilisant une petite quantité d'analyte sans réactifs chimiques.

Aux fréquences THz, la production de métamatériaux repose généralement sur des méthodes de traitement au niveau du micron. La photolithographie [27] ou lithographie par faisceau d'électrons [28] est principalement utilisée pour transférer des micro-nano motifs de la photorésistance à la surface des matériaux fonctionnels, puis une gravure humide [29, 30] ou sèche [31, 32] est nécessaire pour terminer le traitement final des métamatériaux. Grâce aux étapes ci-dessus, la construction de graphiques fins peut être réalisée, mais malheureusement, la plupart de ces procédés exigent un équipement de traitement coûteux, des environnements d'exploitation de haute qualité et des procédures de traitement lourdes. Le perçage laser [33, 34] est la première technologie de traitement laser pratique, et c'est également l'un des principaux domaines d'application du traitement laser. Le faisceau laser est fortement concentré dans l'espace et dans le temps. En focalisant avec une lentille, le diamètre du spot peut être réduit au niveau du micron et la densité de puissance laser de 10 ⁵ –10 ¹⁵ W/cm ² peut être obtenu. Avec une densité de puissance aussi élevée, le perçage laser peut être effectué dans presque tous les matériaux. À notre connaissance, c'est la première fois que la technologie de perçage laser est appliquée à la fabrication de biocapteurs en métamatériaux, ce qui peut réduire considérablement le coût de traitement des biocapteurs en métamatériaux et promouvoir leurs applications pratiques.

Dans cette étude, un biocapteur térahertz hautement sensible pour la détection de protéines basé sur un métamatériau entièrement métallique a été proposé, simulé théoriquement et démontré expérimentalement. L'appareil était simple à fabriquer, économique et assez stable. Il était composé d'un matériau en acier inoxydable et fabriqué à l'aide de la technologie de perçage au laser. Dans un premier temps, ce capteur de métamatériau a été simulé et analysé à l'aide de la méthode des intégrales finies, et la sensibilité de l'indice de réfraction a été calculée. Ensuite, ce biocapteur de métamatériau THz a été fabriqué et mesuré. Les expériences ont confirmé la grande sensibilité de ce capteur à l'environnement extérieur. La BSA a été choisie comme substance de détection pour évaluer l'efficacité du biocapteur. La formule de Hill a été utilisée pour ajuster les données expérimentales. Une sensibilité de détection de 72,81 GHz/(ng/mm ² ) et la limite de détection (LOD) de 0,035 mg/mL ont été obtenues. Les mesures ont été répétées trois fois pour vérifier la fiabilité du biocapteur.

Design

La figure 1a montre la structure du biocapteur térahertz à métamatériau entièrement métallique proposé. Un motif d'haltères creux avec un arrangement périodique le long des directions x et y a été formé sur une plaque en acier inoxydable de 50 μm d'épaisseur (conductivité de 1,4   ×  10 ⁶ S/m). Les tailles de période P _x et P _y de la structure unitaire sont de 500 μm et 300 μm, respectivement. La longueur de l'haltère creux L et écart H sont respectivement de 294 μm et 60 μm. Le rayon R de cercles aux deux extrémités de l'haltère creux est de 60 μm. Le biocapteur avait une conception structurelle entièrement métallique et aucun substrat diélectrique traditionnel. L'onde térahertz est incidente perpendiculaire à la surface du biocapteur métamatériau.

un Diagramme de réseau tridimensionnel et diagramme de structure cellulaire du biocapteur. Les paramètres structurels sont P _x = 500 μm, P _y = 300 μm, L = 294 μm, H = 60 μm, R = 60 μm. b Transmission simulée du biocapteur

Méthodes et simulation

Ensuite, la simulation tridimensionnelle du champ électromagnétique pleine onde via la méthode intégrale finie (logiciel commercial CST) a été utilisée pour les simulations suivantes. Des conditions aux limites périodiques ont été appliquées dans le x et y directions, et la couche parfaitement adaptée a été utilisée dans la direction de propagation des ondes de z . Comme indiqué dans le coin supérieur droit de la figure 1a, le vecteur d'onde du champ électromagnétique incident k _z était une onde plane se propageant dans le z -axe, et les champs électriques et magnétiques ont été polarisés le long de l'y -axe et x -axe, respectivement. Comme le montre la figure 1b, il y a eu un pic de transmission à 0,48 THz.

Pour étudier le mécanisme physique de la génération de ce pic de résonance, le courant de surface du biocapteur et le champ magnétique à la fréquence du pic de résonance ont été simulés. Comme indiqué sur le côté gauche de la figure 2, les ondes électromagnétiques incidentes ont été polarisées le long du y axe, induisant des oscillations de charge aux deux extrémités de l'ouverture, résultant en un dipôle électrique. Les oscillations de charge étaient accompagnées d'oscillations de courant contrarotatives le long des bords des deux trous circulaires qui constituaient les ouvertures. Cela a conduit à une paire de dipôles magnétiques hors du plan contre-orientés. Comme indiqué sur le côté droit de la figure 2, il y avait une paire de dipôles magnétiques opposés évidents dans le z axe connecté bout à bout pour former un dipôle toroïdal. Par conséquent, la réponse du métamatériau était dominée par une combinaison de dipôles électriques et toroïdaux.

Diagramme de distribution de courant de surface simulé et diagramme de distribution magnétique (y = 0 μm) à 0,48 THz

Étant donné que les performances du capteur sont affectées par les paramètres de structure, il est nécessaire d'optimiser les paramètres de structure lors de la procédure de conception. La figure 3 montre l'effet des changements de taille de la structure sur les spectres de transmission. Comme le montre la figure 3a, lorsque la longueur de l'haltère creux est passée de 290 à 298 μm, la fréquence de crête des spectres de transmission est décalée vers le rouge de 0,48 THz. Comme le montre la figure 3b, lorsque l'écart de l'haltère creux est passé de 56 à 64 μm, la fréquence de crête des spectres de transmission est passée de 0,48 THz. En tant que L et H augmenté, le pic de résonance a commencé à se déplacer vers la basse fréquence et la haute fréquence, respectivement. Lorsque le rayon du cercle variait de 56 à 64 μm et que l'épaisseur de l'acier inoxydable variait de 40 à 60 μm, la position du pic de résonance a légèrement changé. Par conséquent, il est plus facile d'ajuster la fréquence de résonance du biocapteur de métamatériau en ajustant la longueur de l'haltère creux L et l'écart de l'haltère creux H.

Spectres de transmission de a longueur différente L , b écart H , c rayon R , et d épaisseur de la plaque en acier inoxydable

Il est également très important d'étudier l'influence de l'angle incident et de l'angle de polarisation sur les spectres de transmission. L'onde électromagnétique était incidente verticalement, puis les angles d'incidence et de polarisation ont été modifiés. La définition de ces angles est illustrée à la Fig. 4a. L'angle incident signifie θ _je dans le plan y–z, et la polarisation est θ _p dans le plan x–y. Comme le montre la figure 4b, lorsque l'angle d'incidence est passé de 0° à 15°, la différence de fréquence du pic de résonance n'était que de 9 GHz. Comme le montre la figure 4c, lorsque l'angle de polarisation augmentait de 0° à 15°, la différence de fréquence de crête de résonance était presque de 0 GHz, mais l'amplitude de crête de résonance diminuait d'environ 0,1. Cela a montré que le biocapteur était presque insensible aux changements d'angles d'incidence et de polarisation, ce qui est bénéfique pour les applications pratiques de biocapteur.

un Schéma de principe du changement d'angle d'incidence θ _je et angle de polarisation θ _p . Spectres de transmission par rapport à b l'angle d'incidence et c l'angle de polarisation

Pour explorer les performances de détection du biocapteur, une fine couche d'analyte de 120 μm a été ajoutée à ce biocapteur de métamatériau, comme le montre la Fig. 5a, puis différents spectres de transmission de ce biocapteur de métamatériau ont été simulés lorsque l'indice de réfraction de l'analyte a changé, comme le montre la Fig. . 5b. La sensibilité RI S a été défini comme le rapport des variations de la position du pic de transmission à l'unité RI (S = Δf /Δn ). Au fur et à mesure que l'IR de l'analyte augmentait, la fréquence du pic de résonance s'est décalée vers le rouge. Ensuite, le décalage de fréquence de crête de résonance correspondant à chaque RI a été collecté. Une bonne linéarité a été observée. Le résultat d'ajustement de la Fig. 5c montre que la sensibilité à l'IR était de 294,95 GHz/RIU.

un Vue en coupe et vue de dessus du diagramme du modèle de biocapteur de métamatériau avec une fine couche d'analyte de 120 µm. b Influence des modifications de l'IR de l'analyte sur les spectres de transmission du biocapteur. c Ajustement linéaire correspondant du décalage de fréquence du pic avec le RI correspondant

La performance de détection a également été quantifiée à l'aide de la figure de mérite (FOM), qui a été définie comme :

où S est la sensibilité et FHWM est la pleine largeur à mi-hauteur du pic de résonance. Le FOM de ce biocapteur était de 4,03.

Pour la plupart des structures de métamatériaux, ils utilisent généralement des matériaux diélectriques comme substrats. Cependant, ce biocapteur de métamatériau proposé dans cet article était basé sur un métamatériau entièrement métallique avec une conception entièrement en acier inoxydable et l'air a été utilisé comme substrat. Comparé aux matériaux diélectriques traditionnels, tels que le polyéthylène téréphtalate (PET), le quartz et le silicium, l'air a le RI le plus bas. Pour évaluer le rôle du substrat, ces biocapteurs de métamatériaux ont été simulés à nouveau en utilisant différents substrats, et les sensibilités d'indice de réfraction et les valeurs de FOM ont été calculées par la suite. Comme le montre la figure 6, à mesure que l'IR du substrat augmentait, la sensibilité RI et le FOM du capteur commençaient à diminuer. Ce résultat a indiqué que le biocapteur avec un substrat RI inférieur avait une meilleure performance de détection.

Les sensibilités et les FOM lorsque différents substrats sont utilisés

Pour étudier plus avant le principe de détection du biocapteur, les diagrammes de distribution du champ électrique ont été simulés, comme le montre la Fig. 7. Les vues de dessus et de côté de la distribution du champ électrique simulée ont démontré que l'énergie du champ électrique était principalement concentrée dans une partie de l'acier inoxydable. des trous. Par conséquent, il est crucial de s'assurer que l'analyte a été ajouté dans les trous.

Distributions de champ électrique simulées. un Vue de dessus, b vue de côté (y = 0 μm)

Le tableau 1 résume la sensibilité RI et la FOM du capteur proposé, et les compare à d'autres études rapportées [35,36,37]. Les autres capteurs THz sont tous basés sur des procédés de photolithographie traditionnels. On peut voir que le biocapteur en métamatériau en acier inoxydable que nous avons conçu avait d'excellentes performances de détection en utilisant une technologie de forage laser bon marché.

Expérience

Préparation des matériaux et des échantillons

Ensuite, afin de démontrer la capacité de biodétection du capteur de métamatériau THz proposé, la détection de protéines a été effectuée dans l'expérience. Les tampons BSA et PBS ont tous deux été achetés auprès de Sigma-Aldrich. La solution de BSA a été formulée en tampon PBS (pH = 7,4).

Une image au microscope du biocapteur de métamatériau fabriqué est illustrée à la Fig. 8. La taille globale du biocapteur de métamatériau était de 12 mm × 12 mm.

Micrographie de l'échantillon de biocapteur fabriqué

Les concentrations de la solution de BSA formulée étaient de 0,2 mg/mL, 0,5 mg/mL, 2,0 mg/mL et 4,0 mg/mL. L'analyte a été ajouté à la surface du biocapteur par une méthode de dépôt liquide. Chaque fois, 150 L de solution de BSA ont été transférés à la surface du biocapteur avec un pistolet à pipette, et le biocapteur a été séché sur une table chauffante de 40 ℃. Lorsque le biocapteur a été chauffé à 40 ℃, le film protéique s'est formé plus rapidement et de manière plus uniforme. Chaque fois avant de changer différentes concentrations de solution de BSA, la feuille d'acier inoxydable a été placée dans de l'eau déminéralisée et vibrée dans un vibrateur à ultrasons pour s'assurer que le film protéique du processus précédent est nettoyé et que la surface de ce biocapteur de mmetamatériau est propre. La figure 9 a montré les images et les images de microscopie du processus d'ajout et de séchage de la protéine. Comme le montre la figure 9a, la tôle d'acier inoxydable était propre, puis, comme illustré à la figure 9b, la solution de BSA d'une concentration a été ajoutée à la surface de la tôle d'acier inoxydable, et la solution est restée sur la surface de ce biocapteur et n'a pas passer à travers les trous en raison de l'effet de la tension de surface de l'eau. Après chauffage et séchage, une fine couche de film BSA s'est formée comme le montre la figure 9c.

Photos de l'acier inoxydable dans différentes étapes de test :le biocapteur métamatériau après a nettoyage et séchage par ultrasons, b en ajoutant 150 L de solution de BSA (0,2 mg/mL) et c séchage; Photos au microscope du d de la tôle d'acier inoxydable paroi latérale et e surface avant d'ajouter BSA; Photos au microscope de la f tôle d'acier inoxydable paroi latérale et g surface après ajout et séchage de la solution de BSA (0,2 mg/mL)

Afin d'observer la situation à l'intérieur des trous de l'acier inoxydable, un côté de l'acier inoxydable a été coupé, de sorte qu'un côté des trous a été révélé et observé au microscope. Comme le montre la figure 9d-g, lorsque la solution de BSA a été égouttée et séchée, une fine couche de BSA a été ajoutée dans les trous de l'acier inoxydable, principalement parce que le diamètre des trous est beaucoup plus grand que la taille de la Protéines BSA. Cela prouve que l'analyte à détecter peut entrer dans la région sensible à la détection de notre biocapteur, ce qui peut augmenter considérablement la sensibilité de ce biocapteur métamatériau.

Mesures spectrales

Toutes les mesures spectrales ont été réalisées à l'aide d'un système de spectroscopie THz à onde continue (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Le système se composait d'une électronique intelligente à contrôle laser double (DLC), de deux lasers à rétroaction distribuée (DFB), de deux photomélangeurs InGaAs couplés par fibre et de quatre miroirs paraboliques hors axe à 90°, comme illustré à la Fig. 10. Les ondes THz ont été collimatées et focalisé sur l'échantillon à travers les miroirs paraboliques hors axe à 90°. Tous les spectres de transmission ont été obtenus en balayant entre 50 et 1220 GHz par pas de 40 MHz avec un temps d'intégration de 10 ms fonctionnant en mode de balayage rapide pour réduire le temps de balayage. La polarisation de l'onde térahertz était le long de la direction d'ouverture de l'anneau d'haltère.

Schéma de principe du spectromètre THz à onde continue utilisé dans nos expériences

Résultats de l'expérience et discussion

Les expériences de détection de protéines du biocapteur métamatériau ont été réalisées avec quatre concentrations des solutions de BSA. Tout au long des expériences, chaque groupe de solutions de BSA a été ajouté dans l'ordre du plus faible au plus élevé. Toutes les mesures ont été répétées trois fois.

Comme le montre la figure 11a, à mesure que la concentration des solutions de BSA augmentait, la fréquence du pic de résonance s'est décalée vers le rouge. Cette tendance est cohérente avec les résultats de la simulation. La diminution de l'intensité de la résonance était due à l'absorption de l'onde térahertz par la protéine BSA.

un Spectres mesurés avec différentes concentrations de BSA. b Ajustement de la colline de l'expérience BSA

La relation entre le décalage de fréquence et la concentration des solutions de BSA n'est pas linéaire, ce qui est courant dans les expériences biologiques [38, 39]. Le modèle de Hill peut caractériser la capacité de liaison entre notre biocapteur métamatériau et les biomolécules. Par conséquent, le modèle de Hill [40] a été utilisé pour ajuster les données expérimentales, comme le montre la figure 11b. L'équation de Hill est décrite comme suit :

où le décalage de fréquence de crête maximal Δf _max est la valeur de saturation, [BSA] est la concentration de la solution de BSA, n est le coefficient de Hill, et K _D est la constante de dissociation.

En utilisant la courbe d'ajustement illustrée à la Fig. 11b, le coefficient de Hill n a été calculée à 0,83, et la constante de dissociation K _D a été calculé à 2,87 mg/mL. De plus, Δf _max était d'environ 166 GHz, ce qui indique le décalage de fréquence de crête maximal à la concentration de saturation. Les résultats d'ajustement de Hill du pic de fréquence de résonance ont confirmé la fiabilité et la précision de l'expérience.

La sensibilité S du biocapteur a été déduite comme suit [41] :

où f _max est de 166 GHz et δ _max est la densité surfacique de la BSA. δ _max a été déterminé par [41] :

où M _BSA = 66 430 g/mol est la masse moléculaire estimée de BSA [42], N _A = 6.02 × 10 ²³ mol ⁻¹ est le numéro d'Avogadro, et P _BSA = 6.96 nm [43] est la longueur moyenne d'une molécule de BSA. δ _max était de 2,28 ng/mm ² et la sensibilité de détection de la BSA du biocapteur était de 72,81 GHz/(ng/mm ² ).

K _D obtenu à l'aide du modèle de Hill a montré que la constante de dissociation était fortement liée à la BSA, et la limite de détection (LOD) C _lim de la BSA a été calculé à l'aide de l'équation suivante [44] :

où S _f est la résolution spectrale de 2 GHz. L'équation (5) montre qu'une constante de dissociation plus petite a entraîné une limite de détection inférieure. Ainsi, C _lim a été calculé à 0,035 mg/mL.

Le tableau 2 montre les performances de détection de la BSA de notre biocapteur par rapport aux études rapportées. Dans l'expérience, la concentration la plus faible de la solution de BSA était de 0,2 mg/mL et un changement de fréquence de 10,8 GHz a été obtenu. Par rapport aux Réf. [45,46,47], un changement de fréquence relativement plus élevé a été obtenu à la même concentration de BSA. La formule de Hill a été appliquée pour analyser les données du biocapteur de métamatériau. La LOD calculée de 0,035 mg/ml était significativement meilleure que celle de la réf. [45]. Tous ces éléments prédisent que notre biocapteur de métamatériau THz entièrement métallique proposé aura d'excellentes performances dans de nombreuses applications biologiques et chimiques.

Basé sur les excellentes performances de détection du biocapteur en acier inoxydable, le biocapteur en acier inoxydable peut être modifié avec un anticorps spécifique pour obtenir une détection d'antigène spécifique à l'avenir. Et l'épaisseur du biocapteur en acier inoxydable n'est que de 50 μm. Avec le développement de la technologie microfluidique et de la spectroscopie térahertz, on espère pouvoir à l'avenir appliquer des mesures en temps réel in vivo.

Conclusion

En conclusion, un biocapteur térahertz basé sur un métamatériau entièrement métallique a été utilisé pour mesurer les concentrations de protéines. Le biocapteur a été fabriqué en acier inoxydable et préparé par la technologie de perçage laser. La sensibilité RI maximale et le FOM calculés à l'aide du logiciel de simulation électromagnétique CST sont respectivement de 294,95 GHz/RIU et 4,03. L'échantillon a été caractérisé à l'aide d'un spectromètre THz à onde continue. Les résultats expérimentaux ont montré que, pour la solution d'analyte BSA, la sensibilité de détection et la limite de détection sont de 72,81 GHz/(ng/mm ² ) et 0,035 mg/mL, respectivement. Ce biocapteur présente les avantages d'une petite forme, d'une sensibilité de détection élevée, de faibles limites de détection, d'une réutilisation, d'une fabrication facile et d'un bon rapport coût-efficacité. Ces résultats de recherche sont d'une importance considérable pour les applications futures dans la détection biomoléculaire et le diagnostic des maladies.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

THz :

Térahertz

RI :

Indice de réfraction

FOM :

Figure de mérite

BSA :

Sérum albumine bovine

PET :

Polyéthylène téréphtalate

DLC :

Contrôle double laser

DFB :

Commentaires distribués

LOD :

Limite de détection